ภัยจากแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว ไม่ได้ห่างไกลประเทศไทยอีกต่อไป การใช้เหล็กที่มีความเหนียวสูงในการก่อสร้างช่วยเพิ่มเวลาให้หนีออกจากตัวอาคารที่ประสบภัยแผ่นดินไหว
สามนักศึกษานำเสนองานวิจัยอาคารแผ่นดินไหว
นายณัฐวุฒิ ช่วยศรี นายศุภกิจ ภักดี และนายวรพล เฟื่องรอด สามนักศึกษาที่ทำงานวิจัยหัวข้อ ได้ร่วมกันนำเสนอข้อสรุปจากการวิจัย “พฤติกรรมภายใต้แรงกระทำแบบวัฏจักรของเสาคอนกรีตเสริมเหล็กโดยใช้เหล็กเสริมที่มีความเหนียวสูง”
จุดเริ่มต้นที่สำคัญคือ ประเทศไทยเริ่มประสบภัยแผ่นดินไหวแล้ว ดังเช่น เหตุการณ์ผลกระทบจากแผ่นดินไหวซึ่งเกิดขึ้นที่ จังหวัดเชียงราย 6.3 แมกนิจูด (magnitude) เชียงใหม่ 5.2 แมกนิจูด ตาก 5.6 แมกนิจูด และกาญจนบุรี 5.9 แมกนิจูด เป็นต้น แม้ว่าศูนย์กลางแผ่นดินไหวไม่ได้อยู่ในประเทศไทย แต่แรงสั่นสะเทือนดังกล่าวทำให้เกิดความเสียหายแก่สิ่งปลูกสร้าง มีอันตรายความสูญเสียต่อชีวิตและทรัพย์สิน ทางราชการได้มีกฎหมายข้อบังคับให้ก่อสร้างอาคารต้านแรงแผ่นดินไหว
ทั้งนี้การสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว ไม่ได้มีผลทำให้เกิดแรงในโครงสร้างคล้ายกับเป็นแรงกระแทกหรือแรงปะทะโดยตรง เช่น แรงลมดังที่หลายคนเข้าใจ แต่เป็นลักษณะของแรงเฉื่อยซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของมวลส่วนต่าง ๆ ในโครงสร้าง ทั้งนี้แรงเฉื่อยดังกล่าวมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลกับความเร่งตามกฎของนิวตัน F= m x a ขยายความคือ F หมายความถึง Inertia force ส่วน m คือมวลขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุและรูปแบบของการจัดวางส่วนโครงสร้าง ความเร่ง(a) ขึ้นอยู่กับขนาดของความเร่ง ส่วนประกอบเชิงความถี่ของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นและคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของโครงสร้าง
หลักการออกแบบอาคารต้านแผ่นดินไหว มีประเด็นสำคัญคือ ยอมให้อาคารเกิดความเสียหายขึ้นได้ (เกิดการครากได้) แต่ต้องไม่ถึงขั้นที่ทำให้เกิดการพังทลาย (ระยะการเคลื่อนตัวไม่เกินจุดวิบัติ) ต้องออกแบบให้โครงสร้างมีความเหนียวที่เพียงพอ
วัตถุประสงค์และขอบเขตงานวิจัย
เพื่อศึกษาและเปรียบเทียบ พฤติกรรมความเหนียวของเสาคอนกรีตที่เสริมด้วยเหล็กเสริม SD 40 แบบความเหนียวสูงและแบบปกติ โดยการทดสอบเสาขนาดจริงภายใต้แรงกระทำสลับทิศในห้องปฏิบัติการโครงสร้าง
ขอบเขตงานวิจัยเพื่อศึกษาผลของแรงกระทำในแนวแกนและแรงกระทำสลับทิศที่มีผลต่อเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก จำนวน 2 ตัน โดยใช้เหล็กเสริม SD 40 แบบความเหนียวสูง และแบบปกติ
เสาทดสอบมีขนาดเท่ากับขนาดของเสาอาคารตัวอย่าง
ไม่มีการต่อทาบของเหล็กเสริมตามยาว
การทดสอบในห้องปฏิบัติการกำหนดใช้การทดสอบแบบ Quasi-Static Test (การผลักไปและกลับแบบวัฎจักร)
ข้อมูลทั่วไปอาคารในไทย
ทีมงานวิจัยนำเสนอว่า ลักษณะทางโครงสร้างของอาคารในประเทศไทยมีภาพรวมดังนี้
1.นิยมใช้โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กเป็นหลัก
2.ขนาดคานใหญ่กว่าเสา
3.ชั้นที่1มักเป็นพื้นที่โล่งเปิดกว้าง
4.ไม่ได้ออกแบบอาคารเพื่อรองรับการเกิดแผ่นดินไหว
ส่วนลักษณะทางโครงสร้างของอาคารในประเทศไทยประกอบด้วย 1.ระยะห่างของเหล็กปลอกในเสาค่อนข้างมาก 2.ที่จุดต่อ คาน-เสาของโครงสร้างไม่มีเหล็กปลอกอยู่ภายใน 3.เหล็กเสริมตามยาวของคานไม่ต่อเนื่องในจุดต่อซึ่งทำให้มีระยะฝังยืดในเสาน้อย 4.มีการทาบต่อเหล็กเสริมทันทีที่บริเวณเหนือพื้น
การวิบัติของโครงสร้าง
ทีมวิจัยได้ศึกษาการวิบัติของโครงสร้างอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อให้เข้าใจและแสดงถึง กลไกการวิบัติโดยดารดัด การวิบัติเนื่องจากแรงในแนวแกน การวับัติของเสาด้วยแรงเฉือน และการวิบัติที่บริเวณจุดต่อระหว่างคานเสา
การวิบัติต่าง ๆ ดังกล่าวเกี่ยวข้อกับคุณสมบัติของเหล็กเบื้องต้นคือ 1.ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด สาระสำคัญเกี่ยวข้องกับ ขีดจำกัดสัดส่วน ขีดจำกัดความยืดหนุ่น การรู้ถึงจุดคราบและจุดครากล่าง การรู้ถึงกำลังประลัย และการรู้ถึงจุดแตกหัก 2.ความเหนียวหมายถึงความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานไว้ได้โดยไม่เกิดการแตกหัก ความเหนียวมีความสัมพันธ์กับความแข็งแรงและความสามารถในการยืดตัวของวัสดุเนื่องจากโดยทั่วไปการประเมินค่าความเหนียวมักใช้การประเมินจากพื้นที่ใต้เส้นโค้งความเค้นและความเครียดที่ได้จากการทดสองแรงดึง
ขั้นตอนการวิจัย
ทีมงานวิจัยโดยนักศึกษาทั้งสาม นายณัฐวุฒิ ช่วยศรี นายศุภกิจ ภักดี และนายวรพล เฟื่องรอด โดยมีดร.ณัฐวุฒิ ธนศรีสถิติย์เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา กำหนดขั้นตอนการดำเนินงานวิจัยไว้ดังนี้
1.ศึกษาแบบอาคารตัวอย่าง
2.วิเคราะห์น้ำหนกบรรทุกกระทำลงเสา
3.กำหนดลักษณะเสาตัวอย่างที่นำมาทดสอบ
4.ศึกษาอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ
และ5.การกำหดนดแนวทางเบื้องต้นในการทดสอบ
ข้อมูลแบบอาคารตัวอย่างคือ เป็นอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก 2 ชั้น เนื้อที่ใช้งานประมาณ 300 ตารางเมตร เสาอาคารยาว 3.50 เมตร
ในการศึกษาได้วิเคราะห์น้ำหนักบรรทุกลงเสา พบว่า เสาที่รับแรงมากที่สุดนั้นรับน้ำหนักบรรทุกคงที่ 35 ตัน น้ำหนักบรรทุกจร 6 ตัว น้ำหนักบรรทุประลัย (หรือน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่กำหนดให้ใช้ในการคำนวณ) 41 ตัน จากนั้นได้กำหนดลักษณะเสาตัวอย่างที่นำมาทดสอบ เป็นคอนกรีตกำลังอัด 240 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร ขนาดเสาหน้าตัด 0.20 x 0.20 เมตร สูง 3.50 เมตรเสริมเหล็ก DB 12 จำนวน 6 เส้น
จำนวนเสาที่นำมาทดสอบ 2 ต้น ที่มีความแตกต่างกันคือ เสา C1 เสริมเหล็ก DB 12 SD 40 หมายถึงความเหนียวปกติ (6-DB 12 ม.ม.ความเหนียวปกติ ป- RB 6 ม.ม.@ 0.20 ม. Covering 2.5 cm.)
เสา C2 เสริมเหล็ก DB 12 SD 40 S หมายถึงความเหนียวพิเศษ (6-DB 12 ม.ม.ความเหนียวพิเศษ ป- RB 6 ม.ม.@ 0.20 ม. Covering 2.5 cm.)
อุปกรณ์ในการทดสอบประกอบด้วย 1.Load Cell ตรวจวัดแรงกระทำต่อเสามีเท่าใด 2.LVDTวัดการเคลื่อนตัว 3.Strain gage วัดการยืดตัว 4.Hydraulic jack ใช้แรงดึงไป-กลับกดดันแกน 5.Data logger เก็บข้อมูลการทดสอบ
การนำไปใช้ประโยชน์
การวิจัยได้กำหนดแนวทางเบื้องต้นในการทดสอบ โดยการหาแรงกระทำที่ใช้ในการทดสอบเสาตัวอย่าง เมื่อนำหนักหนักบรรทุกประลัยที่ได้จากการวิเคราะห์แรงกระทำกับเสา พล็อตลงในกราฟ Interaction diagram ของหน้าตัดเสาตัวอย่างทดสอบ พบว่าเสาตัวอย่างสามารถรับแรงตามแนวแกน 41 ตัน โมนเมนต์ดัด (Bending Moment) ประลัย 3.26 ตัน-เมตร ซึ่งจะนำแรงและโมเมนต์ทีได้ไปใช้อ้างอิงในการทดสอบ
ในการทดสอบได้กำหนดแนวทางเบื้องต้นไว้คือ แรงที่ใช้ในการทดสอบประกอบด้วยแรง 2 ชนิด
1.แรงในแนวดิ่ง ได้ติดตั้งที่หัวเสาให้แรงกดเพียงอย่างเดียว
2.แรงด้านข้าง เป็นการใช้แรงกระทำแบบสลับทิศ
แรงทั้งสองชนิดใช้ Hydraulic jack เป็นเครื่องมือที่ใช้ให้แรง
ข้อมูลและผลการศึกษาพฤติกรรมและการวิบัติของเสาคอนกรีตที่เสริมเหล็กยืนที่มีความเหนียวสูง ภายใต้การรับแรงแผ่นดินไหวในห้องปฏิบัติการ ดังกล่าวนำไปใช้ประโยชน์เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบโครงสร้างรับแรงแผ่นดินไหว
งานวิจัยที่นำเสนอนี้ได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยปริญญานิพนธ์ (Senior Project) จากบริษัท ทาทา สตีล (ประเทศไทย) จำกัด (มหาชน) โดยรับมอบทุนสนับสนุนเมื่อวันที่ 24 มีนาคม 2560 ที่ผานมา ณ ห้องประชุมใหญ่ชั้น 2 อาคาร 89 ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ในงานดังกล่าวมีนักศึกษาภาควิชาวิศวกรรมโยธาเข้าร่วมจำนวนหนึ่ง รวมทั้งมีสื่อมวลชนมาร่วมทำข่าว
#